Università degli Studi di Torino
FACOLTA’ di SCIENZE M.F.N.
Corso di Laurea in FISICA
Simulazione realistica di un impianto a
riscaldamento solare
Candidato: Grosso Paolo
Relatore: Prof. Gambino Paolo
Anno Accademico 2009-2010
SCOPO dello STUDIO
Studiare il risparmio energetico di una casa
riscaldata con energia solare.
Realizzare un programma che simuli un
impianto di riscaldamento dotato di pannelli
solari e coadiuvato da una pompa di calore.
• la
cui applicazione sia generalizzabile a diverse
aree geografiche con i relativi dati climatici.
Fare una simulazione di un appartamento
per valutare i vantaggi energetici ed
economici di tale impianto.
Descrizione dell’impianto
Pannelli radianti
Il modello ...
Il progetto è stato realizzato mediante il software
WOLFRAM MATHEMATICA 7.0
E’ suddiviso in:
Raccolta
dati meteorologici
Calcolo
dell’irraggiamento
Calcolo
del fabbisogno energetico
Ciclo
finale pannelli solari e pompa di calore
Dati meteorologici...
Dati meteo
Irraggiamento
Fabbisogno
Ciclo finale
I dati utili alla ricerca sono stati:
Temperature
Frazione di copertura nuvolosa
Altezza nubi
Pressione atmosferica
I dati meteorologici sopracitati sono acquisiti
direttamente dal programma da una banca dati
mondiale(rete meteorologica synop )
Irraggiamento …
Dati meteo
Irraggiamento
Fabbisogno
Ciclo finale
In molte stazioni meteorologiche mancano i dati di
irraggiamento
Per rendere il programma generalizzabile nelle diverse aree
geografiche
Si è ricorsi all’utilizzo del modello realizzato dal professor Cassardo
“The Land Surface Process Model (LSPM) version 2006”
Dati meteo
Principi del modello Cassardo…
Irraggiamento
Fabbisogno
Ciclo finale
La radiazione solare globale su uno specifico sito è calcolata tenendo conto:
Del periodo dell’anno -> del giorno giuliano
Della posizione geografica del sito -> latitudine e longitudine
Della copertura nuvolosa del cielo e della sua altitudine.
La radiazione solare è calcolata come la somma della componente
diretta e diffusa:
Gr = Rdir·sinγ + Rdiff
Dove γ è l’angolo solare opportunamente calcolato all’interno del programma
Dati meteo
La dispersione termica di una casa…
Irraggiamento
Fabbisogno
Ciclo finale
La quantità di calore scambiata nell’unità di tempo, ossia la potenza
termica dispersa, è direttamente proporzionale alla differenza di
temperatura che causa lo scambio di calore e inversamente
proporzionale alla resistenza termica Rt:
dQ ΔT
dt
Rt
Dove Rt è definita come:
Rt
L
A
λ : conducibilità termica del materiale [λ] = W/(m·K)
L: spessore del materiale (m)
A: superficie (m2 )
Dati meteo
La dispersione termica di una casa…
Possiamo ancora notare che le pareti
delle case solitamente sono composte
da più materiali. In questo caso la
resistenza termica si calcola come
N
Rt
i 1
Materiale
Λ
Conducibilità
[W/mK]
Cemento
2.3
Mattoni
0.4
Legno
0.13
Lana di roccia
0.03
Li
A i
Irraggiamento
Fabbisogno
Ciclo finale
Bilancio energetico…
Dati meteo
Irraggiamento
Fabbisogno
Ciclo finale
Per quanto riguarda lo studio del ciclo finale è stata imposta innanzi
tutto la conservazione dell’energia.
Infatti se si vuole mantenere una temperatura costante all’interno
della casa, bisogna fornire tanto calore quanto ne viene disperso
dalla casa
ΔQin = ΔQout
Qin
T=cost
Quscita = Fabb
Studio del calore in entrata…
Il calore in entrata nella casa è dato dall’azione simultanea di:
Pannelli solari ---> scaldano l’acqua della cisterna
Pompa di calore ---> estrae il calore dalla cisterna per mantenere
costante la temperatura del fluido che scorre
nei pannelli radianti
Pannelli radianti ---> distribuiscono il calore all’interno della casa
Pannello Solare
Il pannello solare termico è un dispositivo atto alla conversione della
radiazione solare in energia termica e al suo trasferimento, per esempio,
verso un accumulatore per un uso successivo.
L’efficienza dei pannelli solari è data dall’equazione:
(T Ta )
T Ta
o a1 m
a2 G m
G
G
2
Dove:
G Irraggiamento [W/m2]
ηo fattore di conversione
a1,a2 Coefficienti di dispersione
Tm Temperatura media del pannello
Ta Temperatura dell’aria
Alcune caratteristiche dell’efficienza
L’efficienza diminuisce
all’aumentare della differenza tra
la temperatura media del pannello
e quella dell’aria esterna,in quanto
il calore assorbito dal fluido viene
immediatamente disperso a causa
della grande differenza di
temperatura.
Ha una decrescita molto
rapida per irraggiamenti
bassi, mentre rimane
pressoché costante per
alti irraggiamenti.
Alcune caratteristiche dell’efficienza
Mostra come l’efficienza diminuisca all’aumentare della temperatura
media del pannello,ciò significa che per riuscire ad estrarre più calore
dal pannello è necessario avere un alto flusso.
Pompa di Calore caratteristiche generali
La pompa di calore è una macchina in grado di
trasferire calore da un corpo a temperatura più
bassa ad uno a temperature più alta utilizzando
energia.
Principio di funzionamento: il fluido
attraversa l’evaporatore dove evapora
a bassa pressione assorbendo calore.
In seguito il compressore lo comprime
riscaldandolo,
quindi
passa
al
condensatore dove condensa ad alta
pressione
rilasciando
il
calore
precedentemente assorbito. Infine
attraversa l’evaporatore dove evapora
e ricomincia il ciclo.
Pompa di calore
Siccome la pompa di calore non “crea calore”, ma lo trasporta da
corpi a temperature diverse, non si parla di efficienza ma di
COP (coefficient of perfomance) che in italiano può essere
tradotto come coefficiente di prestazione, ed è definito come il
rapporto tra la quantità di calore trasportato e la quantità
di energia spesa per trasportarlo.
Q2 = Q1 + L
Q2
Q2
T2
C.O.P.
L Q 2 Q1 T2 T1
T2
Q2
Pompa
di
calore
L
Q1
T1
Coefficiente di prestazione…
COP ideale di una pompa di calore
COP di pompe di calore reali
Simulazione di un appartamento
Questo modello è quindi stato applicato ad un caso reale
simulando un appartamento con le seguenti caratteristiche:
Dimensione: 100 m2
Superficie pannelli solari: 30 m2
Tipologia pannelli: tecnologia tubi in vetro sottovuoto
Capienza cisterna: 5 m3
Spessore muri : 0,5 m
Conducibilità termica λ : 0,4 (W/mK)
Temperatura interna casa: 20 °C
Temperatura pannelli radianti: 35°C
Intervallo di misure Δt : 15 min
RISULTATI: inverno 2009-2010
KWh
Lavoro
°C
Temperatura
KWh
Fabbisogno
Riportiamo qui di seguito i
grafici
riguardanti
le
temperature
esterne,
il
fabbisogno termico della casa,
il lavoro della pompa e
l’irraggiamento.
Andamento irraggiamento 2009-2010
Di seguito è riportato il grafico della radiazione da ottobre ad aprile.
Come si vede ha un andamento di tipo sinusoidale con un minimo nei mesi
di dicembre e gennaio. Inoltre presenta dei picchi di minimo nelle
giornate particolarmente nuvolose
W/m2
Risultati nei diversi anni …
Iterando il programma
sugli ultimi tre inverni, si
sono ottenuti i seguenti
grafici.
Andamento del fabbisogno
termico
aumenta
nei
periodi
più
freddi
e
diminuisce nei mesi più
caldi
Medie annuali 2007-2010
Mese
Lav/Fab
[%]
Ottobre
5,45
Novembre
16,29
Dicembre
22,70
Gennaio
20,66
Febbraio
20,64
Marzo
15,5
Aprile
1,25
Anno
Fabb
[KWh]
Lavoro
[KWh]
Lav/Fabb [%]
2007-2008
12555
2192
17.46
2008-2009
14732
2567
17.49
2009-2010
13849
2743
19.80
Costi economici …
In media si vengono quindi a consumare circa 2500 KWh/anno
considerando un costo del KWh è pari 0,20 €
Si viene a spendere intorno ai 500 €/anno per il riscaldamento di
tale appartamento.
VANTAGGI E SVANTAGGI
I vantaggi
Risparmio economico
Ridotte emissioni di CO2
Bassi costi di manutenzione
Gli svantaggi:
Alto investimento iniziale
Necessita di grandi spazi
Applicabile preferibilmente ad appartamenti in
fase di costruzione
Limiti del modello….
Dati mancanti su irraggiamento
utilizzo di un modello con:
Un errore almeno del 5%
non tiene conto della componente riflessa
Si sono trascurate le dispersioni termiche delle componenti dell’impianto
(es. cisterna, tubature, etc.)
Non ottimale studio della dispersione termica (porte,finestre,pavimento etc)
Non si è pututo verificare i risultati confrontandoli con un impianto reale
BIBLIOGRAFIA
•
C. Cassardo (2006) "The Land Surface Process Model (LSPM) version 2006. The
complete manual" - Internal Report, DFG 1/2006, Department of General Physics
"Amedeo Avogadro", University of Torino, Torino, Italy, 62pp.
•
Page J.K. (1986) Prediction of solar radiation on inclined surfaces - D.Reidel Publishing
Company.
•
Federica Mutinelli - Laurea in fisica - A.A. 1997-8 - Univ. Torino - Studio dei processi
fisici che interessano il manto nevoso e loro parametrizzazione all'interno di un modello
numerico di bilancio energetico.
•
http://www.sunheat.it/efficienza.jsp
•
Francesco Groppo e Carlo Zuccaro - Produzione di energia elettrica mediante impianto
fotovoltaico – Editoriale Delfino (ottobre 2006),
•
Prof. Angelo Farina, - Corso di Fisica Tecnica, anno 2001-2002, Facoltà di Ingegneria di
Parma.
Versione web all’indirizzo:
http://pcfarina.eng.unipr.it/dispense01/stefanini130404/stefanini130404.htm#_Modalit%E0_di_scam
bio
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
